陳建鋒, 吳　海

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州225001)

?

基于子陣重疊結(jié)構(gòu)的子陣劃分技術(shù)研究

陳建鋒, 吳海

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州225001)

摘要：對(duì)大型陣列進(jìn)行子陣劃分能減少系統(tǒng)控制的路數(shù)，子陣級(jí)加入時(shí)延控制擴(kuò)展了瞬時(shí)帶寬。對(duì)子陣劃分進(jìn)行重疊排布，提供了窗函數(shù)的效果，有效抑制了由子陣劃分所引起的過(guò)密柵瓣。子陣單元級(jí)和子陣級(jí)分別進(jìn)行加權(quán)操作，提供了較低的副瓣。

關(guān)鍵詞：電掃陣列；子陣重疊；柵瓣抑制；子陣疊加比

0引言

相控陣天線作為一種電子掃描天線(ESA)，通過(guò)改變各輻射單元的幅度、相位來(lái)實(shí)現(xiàn)天線波束指向在空間中的轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。

相比于傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線，相控陣天線具有掃描速度快、目標(biāo)數(shù)據(jù)率高、多目標(biāo)跟蹤能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高武器系統(tǒng)的技術(shù)性能和作戰(zhàn)性能，是當(dāng)代信息戰(zhàn)的重要信息來(lái)源，并擔(dān)負(fù)著警戒、跟蹤、火控、導(dǎo)航、艦載機(jī)的引導(dǎo)以及氣象探測(cè)等多項(xiàng)任務(wù)[2]。

然而，對(duì)于大型陣列來(lái)說(shuō)，由于收發(fā)組件以及時(shí)間延遲等器件價(jià)格昂貴，使得陣面制造成本過(guò)高而難以推廣。采用子陣結(jié)構(gòu)可以減少ESA所需的控制單元組件的數(shù)量，從而減小整機(jī)的計(jì)算復(fù)雜度，降低設(shè)備的計(jì)算成本。但同時(shí)子陣結(jié)構(gòu)也會(huì)使掃描性能受到限制，且劃分的子陣單元數(shù)越多，其在工作頻段內(nèi)柵瓣影響越嚴(yán)重。

對(duì)原有子陣進(jìn)行重疊構(gòu)造，并對(duì)波束進(jìn)行加權(quán)賦形，能夠有效改善工作頻段內(nèi)柵瓣影響，同時(shí)提高瞬時(shí)帶寬。

1子陣波束形成

陣列天線子陣劃分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多，這些結(jié)構(gòu)都會(huì)使用多個(gè)移相器、時(shí)延模塊或者數(shù)字波束形成器等，且每種結(jié)構(gòu)都有其優(yōu)勢(shì)和局限。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

劃分子陣后的陣列一維方向圖可表示為[3]：

(1)

式中：E表示陣元方向圖，這里用余弦函數(shù)的乘方形式來(lái)表示；ASA表示陣元級(jí)子陣方向圖；AP則表示陣列后端子陣方向圖。

因此，圖1(a)所示的方向圖公式為：

(2)

式中：R為每個(gè)子陣的陣元數(shù)；P為陣列所劃分的子陣數(shù);xp為重疊子陣間距；ar、bp為對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)。

圖1　陣列天線子陣劃分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

用N=R×P表示總的陣元數(shù),對(duì)應(yīng)的方向圖如圖2所示，其中N取16。隨著子陣單元數(shù)的增加，子陣間的間距也會(huì)增大，根據(jù)一維陣列柵瓣公式，會(huì)有更多的柵瓣進(jìn)入掃描區(qū)間，則：

(3)

圖2為陣元級(jí)方向圖，當(dāng)子陣單元數(shù)為4時(shí)，在±40°內(nèi)就已經(jīng)出現(xiàn)了柵瓣，但由于單元級(jí)陣因子的2個(gè)零點(diǎn)限制，減少了柵瓣對(duì)最終綜合方向圖的影響。

圖2　子陣劃分方向圖

當(dāng)ASA開(kāi)始掃描時(shí)，由于單個(gè)陣元不掃描，陣元級(jí)方向圖的柵瓣將從單元級(jí)陣因子的零點(diǎn)位置移開(kāi)，此時(shí)柵瓣將惡化整個(gè)綜合方向圖，如圖3所示。掃描角為10°時(shí)已有多個(gè)柵瓣出現(xiàn)在工作區(qū)內(nèi)。

圖3　陣元級(jí)方向圖掃描

提高單元級(jí)掃描能力可以改善此現(xiàn)象，即在單元級(jí)連接移相器，同時(shí)在子陣級(jí)連接時(shí)延模塊，在保證掃描能力的前提下也擴(kuò)展了瞬時(shí)帶寬，如圖1(b)所示。對(duì)于電掃描陣列，其瞬時(shí)帶寬可表示為[4]：

(4)

式(4)說(shuō)明電掃陣列瞬時(shí)帶寬與陣列尺寸L以及掃描角正弦成反比。在子陣級(jí)連接時(shí)延模塊后，陣列尺寸L將由子陣尺寸LSA代替。此時(shí)：

(5)

式中：P為子陣數(shù)。

對(duì)于上例，子陣數(shù)目為4時(shí)，P為4，即瞬時(shí)帶寬將擴(kuò)大為原來(lái)的4倍。

電掃陣列工作在中心頻率之外時(shí)，使用如上子陣方式可以擴(kuò)展其工作帶寬，但是在主波束之外的角度，由于陣元級(jí)方向圖的柵瓣與單元級(jí)陣因子的零點(diǎn)位置錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度，陣元級(jí)方向圖過(guò)密的柵瓣將惡化整個(gè)綜合方向圖，如圖4所示。為了與下文對(duì)應(yīng)并體現(xiàn)子陣對(duì)大型陣列的優(yōu)化作用，圖4對(duì)應(yīng)總單元數(shù)為120的陣列，子陣單元數(shù)為12。由圖4可以看出，陣列工作在非諧振頻率處、掃描角指向30°時(shí)，工作范圍內(nèi)有多處柵瓣抬高。

2子陣重疊波束形成

電掃陣列子陣劃分方案是為了減少系統(tǒng)控制單元，擴(kuò)大瞬時(shí)帶寬，但工作頻率偏離中心頻率時(shí)，子陣方向圖發(fā)生的偏斜，使得綜合方向圖內(nèi)出現(xiàn)多處柵瓣，這直接限制了系統(tǒng)帶寬的擴(kuò)展。

為了降低副瓣，往往需要通過(guò)加權(quán)來(lái)對(duì)波束進(jìn)行賦形。對(duì)于上節(jié)所述的子陣結(jié)構(gòu)，在單元級(jí)子陣

進(jìn)行加權(quán)，則子陣內(nèi)的單元數(shù)量過(guò)少對(duì)于加權(quán)操作是不利的，而單元數(shù)過(guò)多又會(huì)增加子陣間的間距，引起陣元級(jí)方向圖內(nèi)出現(xiàn)過(guò)密的柵瓣；在子陣級(jí)進(jìn)行賦形，并不會(huì)減少柵瓣的數(shù)量，這對(duì)于最終的綜合方向圖優(yōu)化意義不大。

圖4　子陣在非諧振頻率處性能受掃描角的影響

圖5　重疊子陣結(jié)構(gòu)

每個(gè)單元都經(jīng)過(guò)一個(gè)1/3的功分網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)分流，并通過(guò)4/1和3/1的網(wǎng)絡(luò)將信號(hào)合并。每一路信號(hào)都進(jìn)行了加權(quán)操作，合并后的信號(hào)通過(guò)時(shí)間延遲模塊來(lái)提高掃描的穩(wěn)定性。而在數(shù)字波束形成(DBF)中，可在每路合并信號(hào)后連接一個(gè)接收信道來(lái)進(jìn)行時(shí)延控制，然后將通道進(jìn)行數(shù)字合成[5]。

采用子陣重疊的一維方向圖同樣能用式(1)表示，只需將對(duì)應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修正即可，即：

(6)

式中：R為子陣單元數(shù)；P為重疊子陣數(shù)目；對(duì)應(yīng)的xp為重疊子陣的間距。

陣元級(jí)連接時(shí)延模塊使得陣列后端子陣AP公式中的工作波長(zhǎng)和諧振波長(zhǎng)一致，方向圖最大值對(duì)應(yīng)的掃描角將與工作波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。

在單元子陣內(nèi)采用泰勒加權(quán)，各個(gè)單元的相對(duì)電平為：

采用子陣重疊結(jié)構(gòu)后的陣列方向圖如圖6所示。

圖6　重疊子陣方向圖，單元級(jí)Taylor加權(quán)

由圖6可以看出，當(dāng)工作頻率偏移諧振頻率時(shí)，單元陣因子會(huì)發(fā)生偏斜；而子陣級(jí)加入的時(shí)延控制使得陣元級(jí)方向圖指向不隨頻率變化，綜合后的方向圖除了增益有一定損耗外，波束指向并不改變；而且子陣重疊結(jié)構(gòu)能夠提供窗函數(shù)的效果，有效抑制了陣元級(jí)方向圖中的柵瓣在綜合方向圖中的出現(xiàn)。通過(guò)對(duì)各個(gè)子陣進(jìn)行加權(quán)還能進(jìn)一步控制綜合方向圖的副瓣高度，依然使用Taylor綜合法對(duì)10路子陣進(jìn)行加權(quán)，方向圖如圖7所示。

圖7　單元級(jí)和子陣級(jí)分別進(jìn)行加權(quán)的重疊子陣方向圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文以一維電掃陣列為例，分析了子陣劃分對(duì)

陣列天線方向圖的影響。不難看出，子陣劃分可以減少控制單元的路數(shù)，這對(duì)于擴(kuò)大瞬時(shí)帶寬、降低DBF自適應(yīng)算法復(fù)雜度和計(jì)算量等方面是有很大幫助的，但子陣級(jí)方向圖過(guò)密的柵瓣卻限制了整個(gè)陣列性能。子陣重疊結(jié)構(gòu)排列能夠克服這一問(wèn)題，保證子陣單元數(shù)量進(jìn)行加權(quán)操作的同時(shí)，減小子陣之間的排列間距，通過(guò)子陣單元級(jí)和子陣級(jí)加權(quán)賦形可以提供窗函數(shù)的效果，抑制柵瓣的同時(shí)更好地控制副瓣的高度。本文通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了此方法的可行性，通過(guò)公式推演也能簡(jiǎn)單地應(yīng)用到二維陣列上。

參考文獻(xiàn)：

[1]張光義，趙玉潔.相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]葉顯武.艦載相控陣?yán)走_(dá)的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2012(6)：5-8.

[3]BROWNAD.電掃陣列——MATLAB建模與仿真[M].汪連東，孔德培，喬會(huì)東，等譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2014.

[4]李黎.寬帶相控陣天線綜合[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[5]唐建生，孫超.基于子陣合成的寬帶波束形成方法[C]//陜西省聲學(xué)學(xué)會(huì).中國(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)2005年青年學(xué)術(shù)會(huì)議.西安：陜西省聲學(xué)學(xué)會(huì)，2005:231- 233.

Research into Subarray Division Technology Based on Overlapped Subarray Architecture

CHEN Jian-feng,WU Hai

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:Dividing large-scale array into subarrays can reduce the system control routes.In order to widen instantaneous bandwidth,the time delay control is introduced in subarray.Window function effect can be provided by overlapping subarray division,which effectively suppresses the over crowded grating lobe due to subarray division.Weight is separately performed in subarray unit level and subarray level,which provides relatively low side lobe.

Key words:electronically scanned array;overlapped subarray;grid lobe suppression;overlapped subarray ratio

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.021

中圖分類號(hào)：TN821.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)01-0095-04

收稿日期:2015-09-17